丁紅瑜，武姝婷，袁 康，束超平，王 凡，陳 超，湯雁冰，蔣志勇

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

(2.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

1 前言

增材制造通常又稱“3D 打印”，是以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字化添加材料的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒Ｔ霾闹圃焓窍鄬?duì)于傳統(tǒng)的等材制造(如鑄造、鍛造)和減材制造(如機(jī)械加工)而言的，是制造領(lǐng)域的又一次革命，近幾十年來成為引領(lǐng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵技術(shù)之一，是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效的重要驅(qū)動(dòng)力。據(jù)美國(guó)增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會(huì)(Wohlers)年度報(bào)告顯示，截至2016 年，全球增材制造行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了60.63 億美元，預(yù)計(jì)到2020 年有望達(dá)到210 億美元[1，2]。

伴隨著增材制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)及技術(shù)發(fā)展中面臨的標(biāo)準(zhǔn)化問題日益凸顯，各研究機(jī)構(gòu)、廠家采用的術(shù)語(yǔ)、技術(shù)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不利于學(xué)術(shù)交流和技術(shù)提升，嚴(yán)重制約了增材制造產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，開展增材制造標(biāo)準(zhǔn)制定工作具有重要意義[3，4]。本文大體以時(shí)間為順序，分門別類地概括了目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)增材制造標(biāo)準(zhǔn)的制定情況，分析了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)和下一步的努力方向，對(duì)增材制造相關(guān)從業(yè)人員有一定參考意義。

2 國(guó)外增材制造標(biāo)準(zhǔn)研制進(jìn)展

增材制造技術(shù)在國(guó)外經(jīng)歷長(zhǎng)期發(fā)展，已經(jīng)形成了比較完整的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈體系，在標(biāo)準(zhǔn)制定方面也走在前列。目前國(guó)外針對(duì)增材制造標(biāo)準(zhǔn)制定的機(jī)構(gòu)主要包括國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(SAE)、美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)等。以下就國(guó)外增材制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定情況進(jìn)行簡(jiǎn)介。

2.1 國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師協(xié)會(huì)(SAE)的AMS 系列標(biāo)準(zhǔn)

SAE International 即國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(原譯:美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì))，是一個(gè)技術(shù)性學(xué)會(huì)，在全球范圍內(nèi)擁有超過145 000 名會(huì)員，會(huì)員均是航空航天、汽車和商用車輛行業(yè)的工程師和相關(guān)技術(shù)專家。SAE International 制定的AMS 標(biāo)準(zhǔn)(Aerospace Material Specifications，美國(guó)宇航材料規(guī)范)應(yīng)用于全球范圍內(nèi)航空飛行器零件、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)以及政府采購(gòu)。AMS 標(biāo)準(zhǔn)具有技術(shù)水平先進(jìn)、適用性好、格式規(guī)范等特點(diǎn)[5]，迄今為止，已有超過1000 份AMS 標(biāo)準(zhǔn)被美國(guó)國(guó)防部采用。

在增材制造標(biāo)準(zhǔn)制定方面，早在2002 年SAE 就針對(duì)激光直接沉積制造Ti-6Al-4V 合金零件發(fā)布了一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)——AMS4999，并于2011 年將其升版為AMS4999A。鑒于增材制造技術(shù)近年來迅猛發(fā)展的勢(shì)頭，SAE International 于2015 年成立了AMS-AM 增材制造委員會(huì)，并得到聯(lián)邦航空管理局的任務(wù)函，以協(xié)助監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定增材制造認(rèn)證指導(dǎo)材料，將繼續(xù)制定金屬和聚合物的AMS規(guī)范，以支持航空航天的行業(yè)需求。據(jù)稱，代表飛機(jī)、航天器和發(fā)動(dòng)機(jī)原始設(shè)備制造商、材料供應(yīng)商、運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備/系統(tǒng)供應(yīng)商、服務(wù)提供商、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和國(guó)防機(jī)構(gòu)等超過15 個(gè)國(guó)家的350 多名全球參與者積極參與該委員會(huì)。隨后SAE 發(fā)布了AMS700X 系列標(biāo)準(zhǔn)，目前已發(fā)布6 項(xiàng)，從AMS7000 到AMS7005，此外還有多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在制定中，涉及Haynes 230(GH3230)、Ti6242(TA19)、AlSi10Mg (ZL104)、ULTEM 9085、ULTEM 1010 等材料，見表1[1，5]。

表1 AMS 系列增材制造標(biāo)準(zhǔn)[1，5]Table 1 AMS series standard for additive manufacturing[1，5]

2.2 美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)的ASTM 系列標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)，其英文全稱為American Society for Testing and Materials(ASTM)，是當(dāng)前世界上最大的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展機(jī)構(gòu)之一，ASTM 的會(huì)員目前已近34 000 個(gè)，已制定10 000 多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

ASTM 高度關(guān)注增材制造技術(shù)的發(fā)展，2009 年ASTM專門組建了F42 增材制造技術(shù)委員會(huì)，其主要目標(biāo)是制定增材制造材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務(wù)等領(lǐng)域的特性和性能標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法和程序標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)增材制造技術(shù)推廣與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。F42 下設(shè)6 個(gè)專業(yè)技術(shù)委員會(huì)，包括F42.01 測(cè)試方法、F42.04 設(shè)計(jì)、F42.05 材料與工藝、F42.06 環(huán)境、健康與安全、F42.07 應(yīng)用領(lǐng)域(涉及航空、航天、醫(yī)療、重型機(jī)械、航海、電子、建筑、石油與天然氣、消費(fèi)品)、F42.91 術(shù)語(yǔ)等。同時(shí)針對(duì)協(xié)會(huì)運(yùn)行及與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC 261 的合作，另外成立了F42.90 執(zhí)行委員會(huì)及F42.95 技術(shù)協(xié)調(diào)組。截止目前，ASTM F42 已經(jīng)發(fā)布及正在制定標(biāo)準(zhǔn)共50 余項(xiàng)[6]，目前公開渠道查詢到已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)見表2[3，6]。這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了鈦合金、高溫合金、鋁合金、塑料等材料；粉末床熔融、直接能量沉積等工藝；基礎(chǔ)文件術(shù)語(yǔ)、生產(chǎn)制造規(guī)范、后處理規(guī)范、測(cè)試評(píng)價(jià)方法規(guī)范等方面，種類豐富。

表2 ASTM 系列增材制造標(biāo)準(zhǔn)[3，6]Table 2 ASTM series standard for additive manufacturing[3，6]

2.3 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)是世界上最大的非政府性標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域中一個(gè)十分重要的組織。ISO 的宗旨是“在世界上促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化及其相關(guān)活動(dòng)的發(fā)展，以便于商品和服務(wù)的國(guó)際交換，在智力、科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域開展合作”。

針對(duì)增材制造領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2011 年ISO 也成立了標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)TC261，并與ASTM F42 簽署合作協(xié)議，共同開展增材制造技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作。ISO/TC 261 將增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架分為3 個(gè)層次。其中最高級(jí)為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，包括術(shù)語(yǔ)、工藝與材料、測(cè)試方法、設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)等方面；第二級(jí)為分類標(biāo)準(zhǔn)，包括原材料、工藝、裝備分類、零件技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試等方面；第三級(jí)為專用標(biāo)準(zhǔn)，包括專用材料檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、工藝專用標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等。

ISO 與ASTM 聯(lián)合發(fā)布了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，如表2 中的ASTM F2915、ASTM F3301、ASTM F3303 等[3，6]。

3 國(guó)內(nèi)增材制造標(biāo)準(zhǔn)研制進(jìn)展

我國(guó)自20 世紀(jì)80 年代開始增材制造技術(shù)研究，現(xiàn)已具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但在技術(shù)、配套、人才以及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定差距，尤其是過去很多專門針對(duì)增材制造的高端制造設(shè)備，其軟件及專用材料長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，近年來這一情況有了很大改觀，國(guó)產(chǎn)化取得了初步成效。不過，國(guó)內(nèi)增材制造領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作推進(jìn)仍然十分緊迫。

有鑒于此，2016 年4 月在北京成立了全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC TC562)，并召開了一屆一次會(huì)議；隨后分別于2017 年6 月在成都、2018 年9 月在西安召開了一屆二次、一屆三次全體會(huì)議，討論標(biāo)準(zhǔn)制定工作[7]。SAC TC562 主要負(fù)責(zé)增材制造術(shù)語(yǔ)和定義、工藝方法、測(cè)試方法、質(zhì)量評(píng)價(jià)、軟件系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)服務(wù)等領(lǐng)域國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制訂和修訂工作，對(duì)口ISO/TC261，由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)負(fù)責(zé)日常管理和業(yè)務(wù)指導(dǎo)。SAC TC562 搭建了一個(gè)集標(biāo)準(zhǔn)研制、應(yīng)用、交流和共享于一體的技術(shù)平臺(tái)，在增強(qiáng)增材制造標(biāo)準(zhǔn)有效供給的同時(shí)，將有效提升我國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化水平。

2018 年9 月SAC TC562 專用材料工作組成立會(huì)議在珠海順利召開。秘書處由廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所和華南理工大學(xué)共同承擔(dān)；2019 年5 月SAC TC562測(cè)試方法分技術(shù)委員會(huì)在無錫成立，秘書處由無錫市產(chǎn)品質(zhì)檢院(國(guó)家增材制造產(chǎn)品質(zhì)檢中心)承擔(dān)。該測(cè)試方法分技術(shù)委員會(huì)主要負(fù)責(zé)增材制造領(lǐng)域的專用材料、裝備成形件的可靠性、安全性等測(cè)試方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作。分委員會(huì)的成立標(biāo)志著增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作向分工更明確、更專業(yè)化的方向發(fā)展。

3.1 增材制造國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

起初增材制造設(shè)備、技術(shù)等方面的標(biāo)準(zhǔn)制定工作由全國(guó)特種加工機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC 161)負(fù)責(zé)指導(dǎo)。SAC TC562 成立以后，增材制造相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定工作速度大幅提升。表3 統(tǒng)計(jì)了近年來發(fā)布的有關(guān)增材制造的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。部分標(biāo)準(zhǔn)是參照ISO/ASTM 標(biāo)準(zhǔn)制定的。并且在國(guó)外增材制造標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上結(jié)合了新時(shí)代的特點(diǎn)，例如制定了《GB/T 37461—2019:增材制造云服務(wù)平臺(tái)模式規(guī)范》，充分利用信息時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)化傳輸特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)增材制造的遠(yuǎn)程異地產(chǎn)業(yè)分工合作，使得生產(chǎn)過程更加順暢高效。

表3 國(guó)內(nèi)增材制造國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯總(統(tǒng)計(jì)至2019.10)[1-3]Table 3 National standard for additive manufacturing (till 2019.10)[1-3]

續(xù)表

3.2 地方標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)各個(gè)地區(qū)、行業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平制定的標(biāo)準(zhǔn)，用于引導(dǎo)，規(guī)范當(dāng)?shù)睾托袠I(yè)內(nèi)的生產(chǎn)過程，以達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量可控和技術(shù)穩(wěn)步提升的目標(biāo)[8]。地方和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)最大的特點(diǎn)是因地制宜，其制定與地方/行業(yè)的發(fā)展水平密切相關(guān)。目前查詢到有關(guān)增材制造的地方標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)如表4 所示[8]。

表4 地方及行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)匯總(統(tǒng)計(jì)至2019.10)[8]Table 4 Local and profession standard for additive manufacturing (till 2019.10)[8]

3.3 團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)是由團(tuán)體按照?qǐng)F(tuán)體確立的標(biāo)準(zhǔn)制定程序自主制定發(fā)布、由社會(huì)自愿采用的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)的《深化標(biāo)準(zhǔn)化工作改革方案》(國(guó)發(fā)【2015】13 號(hào))，改革措施中指出，政府主導(dǎo)制定的標(biāo)準(zhǔn)由6 類整合精簡(jiǎn)為4 類，分別是強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、推薦性地方標(biāo)準(zhǔn)；市場(chǎng)自主制定的標(biāo)準(zhǔn)分為團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。政府主導(dǎo)制定的標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于?；?，市場(chǎng)自主制定的標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于提高競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)建立完善與新型標(biāo)準(zhǔn)體系配套的標(biāo)準(zhǔn)化管理體制。在標(biāo)準(zhǔn)制定主體上，鼓勵(lì)具備相應(yīng)能力的學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)、商會(huì)、聯(lián)合會(huì)等社會(huì)組織和產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟協(xié)調(diào)相關(guān)市場(chǎng)主體共同制定滿足市場(chǎng)和創(chuàng)新需要的標(biāo)準(zhǔn)，供市場(chǎng)自愿選用，增加標(biāo)準(zhǔn)的有效供給。在標(biāo)準(zhǔn)管理上，對(duì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)不設(shè)行政許可，由社會(huì)組織和產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟自主制定發(fā)布，通過市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勝劣汰。國(guó)務(wù)院標(biāo)準(zhǔn)化主管部門會(huì)同國(guó)務(wù)院有關(guān)部門制定團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展指導(dǎo)意見和標(biāo)準(zhǔn)化良好行為規(guī)范，對(duì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的規(guī)范、引導(dǎo)和監(jiān)督。

目前，在全國(guó)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)信息平臺(tái)(http://www.ttbz.org.cn/)上查詢到與增材制造密切相關(guān)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)共16 項(xiàng)，分別由廣東省增材制造協(xié)會(huì)、中國(guó)機(jī)械制造工藝協(xié)會(huì)、廣州市質(zhì)量檢驗(yàn)協(xié)會(huì)、東莞市標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)融合促進(jìn)會(huì)、中國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會(huì)、中關(guān)村標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)等提出，具體如表5 所示(按實(shí)施時(shí)間先后排序)[9]。此外，根據(jù)公開的消息，中國(guó)航空航天工具協(xié)會(huì)正在制定包括《增材制造 金屬激光粉末床熔融材料及零件的鑒定與認(rèn)證》等在內(nèi)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)13 項(xiàng)，可見團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正在成為標(biāo)準(zhǔn)制定中的新興力量。團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)已逐漸成為一套法律體系和制度設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提升至關(guān)重要。利用好團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)“快、活、新”的市場(chǎng)化特點(diǎn)和更新靈活迅速的機(jī)制特點(diǎn)，已成為推動(dòng)新興行業(yè)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效方式。

表5 增材制造(3D 打印)相關(guān)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(統(tǒng)計(jì)至2019.10)[9]Table 5 Group standard for additive manufacturing (till 2019.10)[9]

續(xù)表

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)以上有關(guān)增材制造國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)制定，發(fā)布的情況進(jìn)行分析，可以看出以下幾點(diǎn):

(1)從技術(shù)體系的角度來看，目前包括技術(shù)基礎(chǔ)術(shù)語(yǔ)、材料、設(shè)備、后處理、檢驗(yàn)、服務(wù)等方面都有一些標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，但框架搭建起來以后，還有待進(jìn)一步完善，充實(shí)。

(2)從原材料的角度來看，有關(guān)航空航天領(lǐng)域的鈦合金、鋁合金、高溫合金等標(biāo)準(zhǔn)較多，非金屬的相對(duì)較少，這主要是由工業(yè)生產(chǎn)中的需求牽引決定的。

(3)從工藝上來說，目前主要以粉末床熔融、直接金屬沉積為主，選區(qū)激光燒結(jié)、擠出成型也占了一部分，這與原材料的工藝匹配關(guān)聯(lián)很大。

(4)從國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比情況來看，國(guó)外的增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作起步較早，發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)較多，內(nèi)容規(guī)定詳盡，質(zhì)量也很高；為順應(yīng)技術(shù)發(fā)展潮流，2016 年成立了全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(部分活躍的分支甚至成立了分委員會(huì)及工作組)，為增材制造國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了組織上的保障；為與國(guó)際接軌，國(guó)內(nèi)在增材制造技術(shù)基礎(chǔ)術(shù)語(yǔ)方面參考了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，但在具體細(xì)分領(lǐng)域走出了自己的路子，近幾年發(fā)展勢(shì)頭迅猛。尤其是開放團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)限后，業(yè)內(nèi)人士熱情高漲，積極性大幅提升，近年來制定了多項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，有力促進(jìn)了業(yè)界的資源整合和技術(shù)提升。在這個(gè)背景下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)制定的內(nèi)在質(zhì)量也需要密切關(guān)注。

總之，國(guó)外在增材制造標(biāo)準(zhǔn)制定領(lǐng)域走在前列，國(guó)內(nèi)在參考借鑒的同時(shí)近年來也在努力趕超。標(biāo)準(zhǔn)的制定和執(zhí)行需要學(xué)術(shù)界、企業(yè)界和用戶保持密切溝通和合作，并隨時(shí)關(guān)注技術(shù)發(fā)展的前沿和最新動(dòng)向，在業(yè)界的共同努力下，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系的完善，產(chǎn)品質(zhì)量的提高和技術(shù)的進(jìn)步。